buck-boost变换器设计

湖南工程学院课程设计课程名称电力电子技术课题名称Buck-Boost变化器设计专业电气工程及其自动化班级学号姓名指导教师2013 年6 月28 日湖南工程学院课程设计任务书课程名称电力电子技术课题Buck-Boost变换器设计专业班级学生姓名学号指导老师审批任务书下达日期2013年6 月17 日任务完成日期2013 年6 月28 日目录第一章概述 (1)第二章系统总体方案确定 (3)2.1 电路的总设计思路 (3)2.2 电路设计总框图 (3)第三章主电路设计 (5)3.1 Buck－Boost主电路的分析 (5)3.1.1 主电路原理分析 (5)3.1.2 主电路运行状态分析 (6)3.2 主电路参数的选择 (8)3.2.1 占空比α (8)3.2.2 电感L (9)3.2.3 电容C (10)第四章控制电路设计 (12)4.1 主控制芯片的详细说明 (12)4.1.1 SG3525 简介 (12)4.1.2 SG3525内部结构和工作特性 (12)4.2 控制单元电路设计 (16)4.3 检测及控制保护电路设计 (16)4.4 驱动电路设计 (17)4.5 Matalab的建模和参数设置 (18)总结 (22)参考文献 (24)附录1 (25)附录2 (26)附录3 (27)第一章概述《电力电子技术》课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。

其目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。

电力电子技术》课程设计是配合变流电路理论教学，为电气工程及其自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。

通过设计能够使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。

随着电力电子技术的迅速发展，高压开关稳压电源已广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。

直流斩波电路作为直流电变成另一种固定电压的DC-DC变换器，在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到广泛的应用。

随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路。

直流斩波技术已被广泛运用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。

全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波能领域得到了广泛的应用。

但以IGBT为功率器件的直流斩波电路在实际应用中需要注意以下问题：（1）系统损耗的问题；（2）栅极电阻；（3）驱动电路实现过流过压保护的问题。

直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。

PWM控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。

随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。

第二章系统总体方案确定2.1 电路的总设计思路Buck变换器电路可分为三个部分电路块。

分别为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块。

主电路模块，由IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。

的大小。

控制电路模块，可用SG3525来控制IGBT的开通与关断。

驱动电路模块，用来驱动IGBT。

2.2 电路设计总框图电力电子器件在实际应用中，一般是有控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

有信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。

因此，一个完整的降压斩波电路也应该包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路致谢环节。

根据升-降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图2-1所示。

图2-1 降压斩波电路的结构框图第三章主电路设计3.1 Buck－Boost主电路的分析3.1.1 主电路原理分析升降压斩波电路的原理图如图3-1所示。

由可控开关Q、储能电感L、二极管D、滤波电容C、负载电阻RL和控制电路等组成。

图 3-1 Buck－Boost主电路原理图当开关管Q受控制电路的脉冲信号触发而导通时，输入直流电压V1全部加于储能电感L的两端，感应电势的极性为上正下负，二极管D反向偏置截止，储能电感L将电能变换成磁能储存起来。

电流从电源的正端经Q及L流回电源的负端。

经过ton时间以后，开关管Q受控而截止时，储能电感L自感电势的极性变为上负下正，二极管D正向偏置而导通，储能电感L所存储的磁能通过D向负载 RL释放，并同时向滤波电容C充电。

经过时间Toff后，控制脉冲又使Q导通，D截止，L储能，已充电的 C 向负载RL放电，从而保证了向负载的供电。

此后，又重复上述过程。

由上述讨论可知，这种升降压斩波电路输出直流电压V2的极性和输入直流电压升降压斩波电路V1的极性是相反的，故也称为反相式直流交换器。

3.1.2 主电路运行状态分析假设储能电感L 足够大，其时间常数远大于开关的周期，流过储能电感的电流iL 可近似认为是线性的，并设开关管Q 及二极管都具有理想的开关特性。

分析电路图可以得到：1）Q 导通期间，D 截止，电感L 两端的电压为V1，il 呈线性上升。

1LL di u LV dt == 110L L V Vi dt t I L L ==+⎰式中L I 是Q 导通前流过L 的电流。

当t ＝ton 时，流过L 的电流达到最大值：1max 0L on L V i t I L =+ (1)2）Q 截止期间，D 导通，L 向负载和C1供电，电感两端电压2LL di u LV dt ==- 2L V di dtL =-22maxL L V V i dt t i L L ⎛⎫=-=-+ ⎪⎝⎭⎰ (2)式中maxL i 为Q 截止前流过L 电流。

t ＝toff 时，Q 开始导通，L 中电流下降到极小值：20min max off L L L V I i t i L ==-+ (3)3）输入直流电压U1和输出直流电压U2的关系 将(3)式代入(1)式可得：12max max L on off L V Vi t t i L L =-+12on off V V t t L L = ……………………………………………………(4) 21111on on off on t t V V V V t T t αα===-- (5)当ton<toff 时，d<0.5， V2<V1，电路属于降压式； 当ton ＝toff 时，d ＝0.5， V2＝V1；当ton>toff 时，d>0.5， V2>V1，电路属于升压式。

图3-2 输出波形图4）状态方程的列写实际上电路可分为Q 断态和通态两个状态 Q 闭合：1L di V dt L dVc Vcdt RC==-⎧⎨⎩Q 断开：C L C L CV di dt L dV i R V dt CR=--=⎧⎪⎨⎪⎩设X1＝iL ，X2＝VC 则，将状态方程合并：12211212X X V X u L L L X X X X u C RC C ••⎛⎫⎪⎝⎭=-++=--⎧⎪⎨⎪⎩3.2 主电路参数的选择根据以上给定的参数值和假设，确定的参数初始设定值如下： 取输入V1为20V ，输出二V2为0~40V 可调，负载电阻R1=5Ω，输出电流I0为0~8A ，可初步选择：开关频率fs = 50kHz T=2.5e-53.2.1 占空比α由211V V αα=-得，212V V V α=+V 1＝20V ，V 2＝40V ， 故α＝0~0.73.2.2 电感L升降压斩波电路中，储能电感的电感量L 若小于其临界电感Lmin ，其后果会使流过储能电感的电流iL 不连续，引起开关管、二极管以及储能电感两端的电压波形出现台阶。

这种有台阶的波形，将导致直流交换器输出电压纹波增大，电压调整率变差。

为了防止上述不良情况的出现，储能电感的电感量L 应按L ≥1.3Lmin 选取。

根据临界电感Lmin 的定义可知，当储能电感的电感量L ＝Lmin 时，通过储能电感的电流iL 都是从零线性增加至其峰值电流iLmax ，而开关管截止期间，iL 却由iLmax 下降到零。

在这种情况下，不仅iL 不会间断，而且开关管、二极管和电感两端电压的波形也不会出现台阶，流过储能电感的电流iL 的平均值IL 正好是其峰值电流iLmax 的一半。

max12L L I i =，L ＝Lmin ，IL0＝0代入公式（3）得 2min2L offV I t L = (6)根据电荷守恒定律，电路处于周期稳态时，储能电感在开关管Q 截止期间（toff 期间）所释放的总电荷量等于负载在一个周期(T)内所获得的电荷总量，即I L t off =I0 TL offT I I t =................................. (7)由公式（6）（7）可得20min2off off V TI t t L =()22min 02offV L t I T=取I0＝8A ，toff ＝（1－0.4615）T 则()525min 536 2.51010.4286 4.90104923 2.510L H H μ---⎡⎤=⨯⨯-=⨯=⎣⎦⨯⨯⨯故另进一步按公式:dt di L dt di L V L 01112==-即 -40=L1*-0.1/(2.5e-5*0.5) 故可取 L1≈5mH3.2.3 电容C升降压斩波电路中，对于二极管D 的电流iD 和输出电压V2，二极管截止时(即ton 期间)，电容C 放电，V2下降；而二极管导通时(即toff 期间)，电容C 充电，V2上升。

在此期间，流过二极管的电流iD 等于储能电感的电流iL 。

设流过C 的电流为ico ，则00I i I i i L D co -==- (8)(2)式代入(8)式得2max 0co L V i i t I L =--通过ico 求出toff 期间C 充电电压的增量，就可得到输出脉动电压峰峰值△UP －P ，即001P P co t off U i dt C -∆=⎰20max001off iL t V I t dt C L ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭⎰()()22max 0012L off off V i I t t C L ⎡⎤=--⎢⎥⎣⎦ (9)由于 2max L off V i t L =；()2202offt VI L T=由(19)式得到：()22012P P off off t V U t LC T -⎛⎫∆=- ⎪⎝⎭ (10)滤波电容的电容量C0可根据给定的输出脉动电压峰峰值△UP －P 的允许值，按(10)式计算，即()()2222201122off off P P P P t V V T C t L U T L U αα--⎛⎫=-=- ⎪∆∆⎝⎭………………（11） 选用电容器时，应注意其耐压是否符合电路的要求，在高频应用时，还应考虑电容器本身的串联等效电阻和阻抗频率特性。